JP2008206274A - スイッチング制御回路及びスイッチング電源回路 - Google Patents

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眞一 山本
Yoshio Fujimura
芳夫 藤村
Yusuke Nishizaki
祐介 西崎
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Abstract

【課題】スイッチングによる電力損失を低減する。
【解決手段】入力電圧から所望レベルの出力電圧を生成するスイッチング電源装置におけるスイッチングを制御するスイッチング制御回路であって、所定周波数で変化する駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、出力電圧を生成すべく、第1トランジスタ又は第1トランジスタよりスイッチングロスの小さい第2トランジスタを駆動信号生成回路から出力される駆動信号に応じてオンオフさせる駆動回路と、を備え、駆動回路は、出力電圧が印加される装置の消費電流を示す信号に基づいて、消費電流が所定レベルより多い場合は、第1トランジスタをオンオフさせ、消費電流が所定レベルより少ない場合は、第2トランジスタをオンオフさせる。
【選択図】図1

Description

本発明は、スイッチング制御回路及びスイッチング電源回路に関する。
様々な電子機器に対する所望の駆動電圧を生成するために、スイッチング電源装置が用いられている。図2は、トランスを用いたスイッチング電源装置の一般的な構成例を示す図である。スイッチング電源装置は、トランス100、パワーMOSFET101、制御回路102、電圧検出回路103、フォトカプラ104、ダイオード105,106、抵抗R1、及びキャパシタC1,C2を含んで構成されている。
端子DCINには、例えば交流電圧を整流して生成された直流電圧が印加される。この直流電圧は、トランス100の一次コイルL1の一端に印加されるとともに、抵抗R1の一端に印加されている。抵抗R1の他端は、制御回路102の端子VCCに接続されるとともに、キャパシタC1の一端に接続されている。スイッチング電源装置の起動時には、端子DCINに印加された直流電圧によって抵抗R1を介して端子VCC及びキャパシタC1に例えば1mA程度の起動電流が流れ込む。そして、制御回路102は、起動電流によってキャパシタC1に充電された電圧を駆動源として、所定周波数のパルス信号に基づいてパワーMOSFET101のスイッチング制御を開始する。
パワーMOSFET101のスイッチング制御により、トランス100の一次コイルL1に電流が発生し、この電流の変化に伴ってトランス100の二次コイルL2に発生する電流がダイオード105で整流されてキャパシタC2が充電される。同様に、トランス100の三次コイルL3に発生する電流がダイオード106で整流されてキャパシタC1が充電され、制御回路102を駆動するための電圧が安定的に確保される。
キャパシタC2が充電されて生成される電圧は、端子DCOUTから出力電圧として出力される。電圧検出回路103は、この出力電圧を検出し、検出した出力電圧が所望レベルより高くなるとフォトカプラ104のフォトダイオード104aに電流を流して発光させる。そして、フォトダイオード104aが発光することにより、フォトカプラ104のフォトトランジスタ104bが導通し、制御回路102の端子FBには接地電圧が印加される。制御回路102は、端子FBの電位が接地レベルになったことを検出するとパワーMOSFET101をオフとする。つまり、端子DCOUTから出力される出力電圧の電圧レベルに応じてパワーMOSFET101を制御するパルス信号のオンデューティーが制御されることにより、所望レベルの出力電圧が出力されることとなる。
また、制御回路102の端子STBには、出力電圧が印加される装置が消費電流の少ない動作モード(スタンバイモード)となった際に、例えばHレベルの信号が入力される。そして、制御回路102は、端子STBにHレベルの信号が入力されると、パワーMOSFET101を制御するパルス信号のオンデューティーを小さくすることにより、消費電流を抑制する。
特開2005−204393号公報
このように、スタンバイモードとなった際には、オンデューティーが小さくなることによってパワーMOSFET101の出力が抑えられることとなるが、パワーMOSFET101のスイッチング回数は同じであるため、スイッチングにより生じる電力損失(スイッチングロス)はスタンバイモードでない場合と変わらない。そのため、スタンバイモードの際には、出力に対するスイッチングロスの割合が高くなり、効率が悪くなってしまう。
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、スイッチングによる電力損失を低減可能なスイッチング制御回路及びスイッチング電源回路を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のスイッチング制御回路は、入力電圧から所望レベルの出力電圧を生成するスイッチング電源装置におけるスイッチングを制御するスイッチング制御回路であって、所定周波数で変化する駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、前記出力電圧を生成すべく、第1トランジスタ又は前記第1トランジスタよりスイッチングロスの小さい第2トランジスタを前記駆動信号生成回路から出力される前記駆動信号に応じてオンオフさせる駆動回路と、を備え、前記駆動回路は、前記出力電圧が印加される装置の消費電流を示す信号に基づいて、前記消費電流が所定レベルより多い場合は、前記第1トランジスタをオンオフさせ、前記消費電流が所定レベルより少ない場合は、前記第2トランジスタをオンオフさせることとする。
また、本発明のスイッチング電源装置は、入力電圧から所望レベルの出力電圧を生成するスイッチング電源装置であって、第1トランジスタと、前記第1トランジスタよりスイッチングロスの小さい第2トランジスタと、所定周波数で変化する駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、前記出力電圧を生成すべく、第1又は第2トランジスタを前記駆動信号生成回路から出力される前記駆動信号に応じてオンオフさせる駆動回路と、を備え、前記駆動回路は、前記出力電圧が印加される装置の消費電流を示す信号に基づいて、前記消費電流が所定レベルより多い場合は、前記第1トランジスタをオンオフさせ、前記消費電流が所定レベルより少ない場合は、前記第2トランジスタをオンオフさせる駆動回路と、を備えることとする。
スイッチングによる電力損失を低減可能なスイッチング制御回路及びスイッチング電源回路を提供することができる。
==回路構成==
図1は、本発明の一実施形態であるスイッチング電源装置の構成例を示す図である。スイッチング電源装置は、トランス10、制御回路11、NチャネルMOSFET12,13、スイッチ回路14、電圧検出回路15、フォトカプラ16、ダイオード17,18、抵抗R1,R2、及びキャパシタC1,C2を含んで構成されている。
トランス10は、一次コイルL1、二次コイルL2及び三次コイルL3を備えており、一次コイルL1及び三次コイルL3と、二次コイルL2との間は絶縁されている。トランス10においては、一次コイルL1に流れる電流の変化に応じて、二次コイルL2及び三次コイルL3に電流が発生する。一次コイルL1は、一端に端子DCINを介して直流の入力電圧が印加され、他端がNチャネルMOSFET12,13のドレインと接続されている。この入力電圧は、例えば商用の交流電圧を整流して得られた電圧である。二次コイルL2は、一端がダイオード17を介してキャパシタC2の一端と接続され、他端がキャパシタC2の他端と接続されている。三次コイルL3は、一端がダイオード18を介してキャパシタC1の一端と接続され、他端が接地されている。
制御回路11は、NチャネルMOSFET12,13のオンオフを制御する集積回路である。制御回路11は、駆動信号生成回路31、メインドライバ32、スタンバイドライバ33、スイッチ回路34,35、及び電流検出回路36を含んで構成されている。なお、メインドライバ32、スタンバイドライバ33、及びスイッチ回路34,35が本発明の駆動回路に相当する。
駆動信号生成回路31は、NチャネルMOSFET12,13を例えばPWM(Pulse Width Modulation)制御するためのパルス信号(駆動信号)を生成して出力する。駆動信号生成回路31は、端子FBから帰還入力される信号に基づいてパルス信号におけるパルス幅を調整することによりNチャネルMOSFET12,13のオンデューティーを制御する。また、駆動信号生成回路31は、電流検出回路36が過電流を検出した場合は、NチャネルMOSFET12,13をオフさせるようにパルス信号を変化させる。また、駆動信号生成回路31は、端子DCOUTから出力される出力電圧を用いるパーソナルコンピュータ等の装置が消費電流の少ない動作状態(スタンバイモード)であることを示す信号(例えばHレベルの信号)が端子STBを介してマイコン20等から入力されると、出力電圧の上昇を抑えるとともにスイッチング電源装置での消費電流を少なくするため、オンデューティーを小さくする。
メインドライバ32(第1駆動回路)は、例えば直列に接続された複数のCMOSインバータにより構成され、駆動信号生成回路31から出力されるパルス信号の電流を増幅し、NチャネルMOSFET12,13を駆動するための信号として出力する。なお、メインドライバ32は、端子STBから入力される信号がスタンバイモードでない(通常モードである)ことを示している場合にのみ動作する。
スタンバイドライバ33(第2駆動回路)は、例えば直列に接続された複数のCMOSインバータにより構成され、駆動信号生成回路31から出力されるパルス信号の電流を増幅し、NチャネルMOSFET13を駆動するための信号として出力する。なお、スタンバイドライバ33を構成するCMOSインバータの数はメインドライバ32を構成するCMOSインバータの数より少なく、スタンバイドライバ33の出力電流量はメインドライバ32の出力電流量よりも少ないこととする。また、スタンバイドライバ33は、端子STBから入力される信号がスタンバイモードであることを示している場合にのみ動作する。
スイッチ回路34は、端子STBから入力される信号が通常モードであることを示す場合、メインドライバ32から出力される信号を、端子Mを介してNチャネルMOSFET12のゲートに出力する。なお、端子STBから入力される信号がスタンバイモードであることを示す場合、スイッチ回路34はオフとなり、NチャネルMOSFET12のゲートにはパルス信号が出力されない。
スイッチ回路35は、端子STBから入力される信号が通常モードであることを示す場合、メインドライバ32から出力される信号を、端子Sを介してNチャネルMOSFET13のゲートに出力し、スタンバイモードであることを示す場合、スタンバイドライバ33から出力される信号を、端子Sを介してNチャネルMOSFET13のゲートに出力する。
電流検出回路36は、端子RFに印加される電圧レベルが所定レベルを超えると、NチャネルMOSFET12に過電流が流れていると判定し、駆動信号生成回路31に対してNチャネルMOSFET12をオフさせるための信号を出力する。
NチャネルMOSFET12(第1トランジスタ)は、ドレインが一次コイルL1の他端と接続され、ソースが接地され、ゲートには制御回路11の端子Mから出力される信号が入力されている。
NチャネルMOSFET13(第2トランジスタ)は、ドレインが一次コイルL1の他端と接続され、ソースが抵抗R1の一端及びスイッチ回路14と接続されている。また、抵抗R1の他端は接地されている。
NチャネルMOSFET12,13は、例えば同一のシリコン基板上に生成された複数のNチャネルMOSFETのセルを用いて構成されている。NチャネルMOSFET12は主に一次コイルL1の導電を制御するために用いられるものであり、NチャネルMOSFET13は主にNチャネルMOSFET12に流れる電流量を検出するために用いられるものである。そのため、NチャネルMOSFET12を構成するセルの数はNチャネルMOSFET13を構成するセルの数より多くなっている。例えば、NチャネルMOSFET12を構成するセルの数とNチャネルMOSFET13を構成するセルの数との比を10:1とすると、NチャネルMOSFET13を流れる電流の10倍の電流がNチャネルMOSFET12を流れることとなる。
スイッチ回路14は、マイコン20から出力される信号が通常モードであることを示す場合オフとなる。この場合、NチャネルMOSFET13のソースから出力される電流は抵抗R1を流れることとなり、制御回路11の端子RFにはNチャネルMOSFET13を流れる電流に応じた電圧が印加されることとなる。また、スイッチ回路14は、マイコン20から出力される信号がスタンバイモードであることを示す場合オンとなる。この場合、NチャネルMOSFET13のソースは接地され、制御回路11の端子RFに印加される電圧も接地レベルとなる。
電圧検出回路15は、キャパシタC2の両端間の電圧、すなわち出力電圧の電圧レベルを検出し、出力電圧の電圧レベルが所望レベルを超えるとフォトカプラ16のフォトダイオード16aに電流を流して発光させる。
フォトカプラ16は、フォトダイオード16a及びフォトトランジスタ16bにより構成されており、フォトダイオード16aが発光することによりフォトトランジスタ16bが導通する。フォトトランジスタ16bは、コレクタが制御回路11の端子FBと接続され、エミッタが接地されている。したがって、フォトダイオード16aが発光してフォトトランジスタ16bが導通すると、制御回路11の端子FBに接地電圧が印加されることとなる。
ダイオード17は、アノードが二次コイルL2の一端と接続され、カソードがキャパシタC2の一端と接続されている。つまり、二次コイルL2において発生する電流はダイオード17により整流されてキャパシタC2に蓄積されることとなる。
ダイオード18は、アノードが三次コイルL3の一端と接続され、カソードがキャパシタC1の一端と接続されている。つまり、三次コイルL3において発生する電流はダイオード18により整流されてキャパシタC1に蓄積されることとなる。
抵抗R2は、一端に端子DCINを介して入力電圧が印加され、他端が制御回路11の端子VCCと接続されるとともにキャパシタC1の一端と接続されている。この抵抗R2は、スイッチング電源装置の起動時に制御回路11に対して例えば1mA程度の起動電流を供給するためのものである。
==通常モードの動作==
図1に例示したスイッチング電源装置の動作について説明する。まず、マイコン20から出力される信号が通常モードである状態において、スイッチング電源装置が起動されることとする。スイッチング電源装置が起動されると、抵抗R2を介して起動電流が制御回路11の端子VCCに向かって流れ出し、制御回路11が動作を開始する。制御回路11の駆動信号生成回路31は、例えばHレベルの割合(オンデューティー)が50%の所定周波数のパルス信号の出力を開始する。そして、端子STBを介して入力される信号が通常モードであることを示しているため、駆動信号生成回路31から出力されるパルス信号は、メインドライバ32及びスイッチ回路34,35を介してNチャネルMOSFET12,13のゲートに入力される。したがって、NチャネルMOSFET12,13がメインドライバ32から出力されるパルス信号に応じてオンオフされ、一次コイルL1を流れる電流に変化が生じる。そして、一次コイルL1の電流変化に応じて二次コイルL2に発生する電流がダイオード17で整流され、キャパシタC2が充電されて出力電圧が上昇する。また、一次コイルL1の電流変化に応じて三次コイルL3に発生する電流がダイオード18で整流され、キャパシタC1が充電され、制御回路11の駆動電圧となる。
キャパシタC2が充電されて出力電圧が所望レベル(例えば5.0V)を超えると、電圧検出回路15は、フォトダイオード16aに電流を流して発光させる。そして、フォトダイオード16aから発せれられた光によってフォトトランジスタ16bがオンとなり、制御回路11の端子FBに接地電圧が印加される。制御回路11の駆動信号生成回路31は、端子FBに印加される電圧が接地レベルになると、パルス信号をLレベルに変化させる。パルス信号がLレベルに変化すると、NチャネルMOSFET12,13がオフとなり、出力電圧が下降することとなる。そして、駆動信号生成回路31はパルス信号の周波数に応じた所定のタイミングでパルス信号をHレベルに変化させる。つまり、フォトカプラ16を用いた帰還制御によりパルス信号のデューティーが調整され、出力電圧が所望レベルとなるように制御される。
また、通常モードの場合、NチャネルMOSFET12と同期してNチャネルMOSFET13もオンオフされ、スイッチ回路14がオフとなっているため、NチャネルMOSFET13を流れる電流に応じた電圧が制御回路11の端子RFに印加される。制御回路11の電流検出回路36は、端子RFに印加される電圧に基づいて、NチャネルMOSFET12を流れる電流が過電流となっていないかどうかを判定し、判定結果を示す信号を駆動信号生成回路31に出力する。駆動信号生成回路31は、NチャネルMOSFET12を流れる電流が過電流となっていることを示す信号が電流検出回路36から入力されると、パルス信号の出力を停止することにより、NチャネルMOSFET12,13をオフとする。
==スタンバイモードの動作==
その後、端子DCOUTから出力される出力電圧が印加される装置が消費電流の少ない状態に移行し、マイコン20から出力される信号がスタンバイモードであることを示す信号に変化すると、駆動信号生成回路31は、出力するパルス信号におけるHレベルの割合(オンデューティー)を例えば数%程度に小さくする。また、マイコン20から出力される信号がスタンバイモードであることを示す信号に変化すると、メインドライバ32が停止する一方、スタンバイドライバ33が動作を開始する。そして、駆動信号生成回路31から出力されるパルス信号は、スタンバイドライバ33及びスイッチ回路35を介してNチャネルMOSFET13のゲートに入力され、パルス信号に応じてNチャネルMOSFET13がオンオフする。なお、スタンバイモードの場合、オンデューティーが小さく、一次コイルL1を流れる電流量が少なくなるため、NチャネルMOSFET13は、NチャネルMOSFET12よりも少ないセルの数で構成され、これによりNチャネルMOSFET13は、NチャネルMOSFET12よりスイッチングロスが小さくなる。そのため、スタンバイモードの際に一次コイルL1の導電を制御するトランジスタをNチャネルMOSFET12からNチャネルMOSFET13に切り替えることにより、スイッチングによる電力損失を低減させることが可能となる。
以上、本発明の一実施形態について説明した。前述したように、スタンバイモードの場合にはNチャネルMOSFET12よりもセルの数が少ないNチャネルMOSFET13をオンオフさせることにより、スイッチングロスを小さくして電力損失を低減させることが可能となる。
さらに、スタンバイモードの場合には、メインドライバ32からメインドライバ33に切り替えることにより、スイッチング電源装置での消費電流を抑制することが可能となる。
また、通常モード時における電流検出用のNチャネルMOSFET13をスタンバイ時のスイッチング用トランジスタとして用いることにより、スタンバイモード時のスイッチング専用にトランジスタを設ける必要がなく、回路規模の増大を抑制することが可能となる。
なお、上記実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
例えば、上記実施例では、NチャネルMOSFET12,13は、同一のシリコン基板上に生成された複数のNチャネルMOSFETのセルを用いて構成され、必要とされる電流量に応じてセルの数が分配されていた。しかしながら、本発明はこれに限定されず、例えば、NチャネルMOSFET12,13がそれぞれ異なるサイズとなるように構成されてもよい。この場合、NチャネルMOSFET12は、NチャネルMOSFET13よりもサイズが大きくなるように構成される。
本発明の一実施形態であるスイッチング電源装置の構成例を示す図である。 トランスを用いたスイッチング電源装置の一般的な構成例を示す図である。
符号の説明
10 トランス
11 制御回路
12,13 NチャネルMOSFET
14,34,35 スイッチ回路
15 電圧検出回路
16 フォトカプラ
16a フォトダイオード
16b フォトトランジスタ
17,18 ダイオード
31 駆動信号生成回路
32 メインドライバ
33 スタンバイドライバ
L1 一次コイル
L2 二次コイル
L3 三次コイル
C1,C2 キャパシタ
R1,R2 抵抗

Claims (5)

  1. 入力電圧から所望レベルの出力電圧を生成するスイッチング電源装置におけるスイッチングを制御するスイッチング制御回路であって、
    所定周波数で変化する駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、
    前記出力電圧を生成すべく、第1トランジスタ又は前記第1トランジスタよりスイッチングロスの小さい第2トランジスタを前記駆動信号生成回路から出力される前記駆動信号に応じてオンオフさせる駆動回路と、
    を備え、
    前記駆動回路は、
    前記出力電圧が印加される装置の消費電流を示す信号に基づいて、前記消費電流が所定レベルより多い場合は、前記第1トランジスタをオンオフさせ、前記消費電流が所定レベルより少ない場合は、前記第2トランジスタをオンオフさせること、
    を特徴とするスイッチング制御回路。
  2. 請求項1に記載のスイッチング制御回路であって、
    前記駆動回路は、
    前記駆動信号に応じて前記第1トランジスタをオンオフさせる第1駆動回路と、
    前記第1駆動回路より出力電流量が少なく、前記駆動信号に応じて前記第2トランジスタをオンオフさせる第2駆動回路と、
    を含んで構成され、
    前記消費電流が所定レベルより多い場合は、前記第1駆動回路を動作させることにより前記第1トランジスタをオンオフさせ、
    前記消費電流が所定レベルより少ない場合は、前記第2駆動回路を動作させることにより前記第2トランジスタをオンオフさせること、
    を特徴とするスイッチング制御回路。
  3. 請求項1又は2に記載のスイッチング制御回路であって、
    前記第2トランジスタの電流量を検出することにより、前記第1トランジスタの電流量を検出する電流検出回路を更に備え、
    前記駆動回路は、
    前記消費電流が所定レベルより多い場合は、前記第1トランジスタとともに前記第2トランジスタをオンオフさせること、
    を特徴とするスイッチング制御回路。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載のスイッチング制御回路であって、
    前記第1及び第2トランジスタは、同一の基板上に生成された複数のトランジスタのセルを用いて構成されており、
    前記第1トランジスタを構成する前記セルの数より前記第2トランジスタを構成する前記セルの数の方が少ないこと、
    を特徴とするスイッチング制御回路。
  5. 入力電圧から所望レベルの出力電圧を生成するスイッチング電源装置であって、
    第1トランジスタと、
    前記第1トランジスタよりスイッチングロスの小さい第2トランジスタと、
    所定周波数で変化する駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、
    前記出力電圧を生成すべく、第1又は第2トランジスタを前記駆動信号生成回路から出力される前記駆動信号に応じてオンオフさせる駆動回路と、
    を備え、
    前記駆動回路は、
    前記出力電圧が印加される装置の消費電流を示す信号に基づいて、前記消費電流が所定レベルより多い場合は、前記第1トランジスタをオンオフさせ、前記消費電流が所定レベルより少ない場合は、前記第2トランジスタをオンオフさせる駆動回路と、
    を備えることを特徴とするスイッチング電源回路。
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